KR20180007536A - Dlc 박막 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

DLC 박막을 제조하는 장치에 관한 것으로, 자세하게는 개선된 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)을 추가적으로 이용하여 경도가 높은 DLC 박막을 제조하는 장치에 관한 것이다.
제안된 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 개선된 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)을 사용해서 복합적으로 경도가 높은 DLC 박막을 제작하는 것이다.
일 양상에 있어서, DLC 박막 제조 장치는 다각 기둥 형상의 챔버; 흑연 타겟을 포함하는 HIPIMS 발생원; 크롬 타겟을 포함하는 크롬 아크 발생원; 및 챔버의 바닥면에 위치하여 기판을 지지하는 기판 홀더; 를 포함하되 상기 챔버의 각 측면에는 HIPIMS 발생원 또는 크롬 아크 발생원이 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

DLC 박막 제조 장치{Apparatus for fabricating DLC thin film}
DLC 박막을 제조하는 장치에 관한 것으로, 자세하게는 개선된 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)을 추가적으로 이용하여 경도가 높은 DLC 박막을 제조하는 장치에 관한 것이다.
현재의 DLC(Diamond Like Carbon) 박막은 높은 경도, 낮은 마찰계수, 높은 내마모성, 높은 내부식성, 높은 내화학성을 가지고 있어 공구 류, 자동차의 엔진 부품 등의 산업분야에 확대되어 사용되고 있다. 그러나 아직 박막의 부착력과 경도가 부족하며 마찰계수가 높은 문제가 있다.
음극 아크 공정에서 카본 전구체(precursor)(C2H2, CH4 등)는 메탈 타겟의 아크 증발에 의한 높은 밀도의 아크 플라즈마로 해리되어서 카본과 금속은 효과적으로 DLC 박막을 형성하게 된다.
그러나 이러한 방법으로 형성된 Me-DLC 박막은 경도가 낮고 아크 고유의 특성인 타겟 표면에서 스폿(spot)발생으로 인해서 기판 모재에 금속의 덩어리가 형성되어서 표면 요철이 높아져서 마찰계수가 높아지는 문제가 있다.
여기서 경도가 낮아지는 것은 아크 플라즈마 입자의 이온화율은 높으나 에너지가 낮아서 sp2 rich 인 DLC 박막이 형성되기 때문이다.
제안된 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 개선된 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)을 사용해서 복합적으로 경도가 높은 DLC 박막을 제작하는 것이다.
제안된 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 타깃으로 흑연을 사용하고 개선된 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)으로 높은 에너지의 이온화된 카본이 모재에 충돌해서 부착 하도록 하여 경도가 높고 마찰 계수는 낮은 sp3 리치(rich)인 DLC 박막을 형성하는 것이다.
일 양상에 있어서, DLC 박막 제조 장치는 다각 기둥 형상의 챔버; 흑연 타겟을 포함하는 HIPIMS 발생원; 크롬 타겟을 포함하는 크롬 아크 발생원; 및 챔버의 바닥면에 위치하여 기판을 지지하는 기판 홀더; 를 포함하되 상기 챔버의 각 측면에는 HIPIMS 발생원 또는 크롬 아크 발생원이 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 양상에 있어서, 상기 챔버는 사각 기둥 또는 육각 기둥 형상인 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서,
상기 HIPIMS 발생원은 흑연 타겟 하부에 위치하는 제 1 자기 회로를 포함하되, 상기 제 1 자기 회로는 흑연 타겟 하부 가장자리에 위치하는 제 1 자석 및 흑연 타겟 하부 중심에 위치하며 제 1 자석과 극성을 달리하는 제 2 자석을 포함하고, 상기 크롬 아크 발생원은 크롬 타겟 하부에 위치하는 제 2 자기 회로를 포함하되, 상기 제 2 자기 회로는 크롬 타겟 하부 가장자리에 위치하는 제 3 자석 및 흑연 타겟 하부 중심에 위치하며 제 3 자석과 극성을 달리하는 제 4 자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서, 상기 제 1 자석은 인접한 다른 제 1 자석 또는 제 3 자석과 극성을 달리하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서, 상기 제 2 자기 회로는 크롬 타겟에 가하는 수평 자기장의 평균 값이 25~50가우스(Gauss)인 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서, HIPIMS 발생원이 포함하는 흑연 타겟은 공극률이 10% 이하인 흑연을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서, HIPIMS 발생원은 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)으로 흑연 타겟을 스퍼터링 하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서, HIPIMS 발생원은 1000-2000V의 전압, 2~30%의 작동 주기(Duty cycle) 및 10~1000us의 펄스로 흑연 타켓을 스퍼터링하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 자기회로는 흑연 타겟 표면에 가하는 수평 자기장이 500가우스 이상인 것을 특징으로 한다.
제안된 발명은 개선된 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)을 사용해서 복합적으로 경도가 높은 DLC 박막을 제작하는 것이다.
제안된 발명은 타깃으로 흑연을 사용하고 개선된 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)으로 높은 에너지의 이온화된 카본이 모재에 충돌해서 부착 하도록 하여 경도가 높고 마찰 계수는 낮은 sp3 리치인 DLC 박막을 형성하는 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 DLC 박막 제조 장치를 도시한다.
도 2는 다른 실시예에 따른 DLC 박막 제조 장치를 도시한다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 나아가 제안된 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 나아가, 명세서 전체에서 신호는 전압이나 전류 등의 전기량을 의미한다.
명세서에서 기술한 부란, "하드웨어 또는 소프트웨어의 시스템을 변경이나 플러그인 가능하도록 구성한 블록"을 의미하는 것으로서, 즉 하드웨어나 소프트웨어에 있어 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 DLC 박막 제조 장치를 도시한다. 도 2는 다른 실시예에 따른 DLC 박막 제조 장치를 도시한다.
일 실시예에 있어서, DLC 박막 제조 장치는 챔버(100), HIPIMS 발생원(220), 크롬 아크 발생원(210) 및 기판 홀더(300)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 챔버(100)는 다각 기둥 형상이다. 도 1 및 도 2는 DLC박막 제조 장치의 평면도를 도시한다. 도 1에 도시된 실시예를 참조하면 챔버(100)는 6각 기둥 형상이다. 도 2에 도시된 실시예를 참조하면 챔버(100)는 4각 기둥이다. 챔버(100)의 형상은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예로 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2에 도시되어 있지 않지만, DLC 박막 제조 장치에 포함된 진공 펌프가 반응 가스를 배기하면 챔버(100)가 포함하는 반응 가스 주입구로 반응 가스인 탄화수소가 유입될 수 있다. 챔버(100)가 포함하는 탄화수소를 배기 펌프가 배출할 수 있다. 탄화수소는 예를 들어 C2H2, CH4, C2H4이다.
일 실시예에 있어서, HIPIMS 발생원(220)은 흑연 타겟을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 크롬 아크 발생원(210)은 크롬 타겟을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버의 각 측면에는 HIPIMS 발생원(220) 또는 크롬 아크 발생원(210)이 위치하는 것을 특징으로 한다. 도 1을 참조하면 육각 기둥 형상의 챔버(100)의 6개의 측면 중 상하면에는 HIPIMS 발생원(220)이 위치하고 상하면을 제외한 나머지 측면 각각에는 크롬 아크 발생원(210)이 위치한다. 도 2를 참조하면 육각 기둥 형상의 챔버(100)의 4개의 측면 중 상하면에는 HIPIMS 발생원(220)이 위치하고 상하면을 제외한 나머지 측면 각각에는 크롬 아크 발생원(210)이 위치한다.
HIPIMS 발생원(220) 및 크롬 아크 발생원(210)은 캐소드(cathode) 기능을 한다. 트리거(500)는 애노드(anode) 기능을 하여 크롬 아크 발생원과 트리거(500) 사이에서 아크 방전이 발생한다.
일 실시예에 있어서, 기판 홀더(300)는 챔버(100)의 바닥면에 위치하여 기판을 지지한다. 도 1 및 도 2를 참조하면 기판 홀더(300)는 십자가 형태로 챔버(100)의 바닥면 정중앙에 위치한다. 도 1 및 도 2를 참조하면 기판 홀더(300)는 좌우로 두개씩 위아래로 3개씩 총 10개의 기판을 지지하고 있지만, 기판 홀더(300)가 지지하는 기판의 개수는 이에 한정되는 것은 아니다.
기판 홀더(300)는 챔버(100)에 대하여 음(-)전위를 갖는 바이어스 전압이 인가 된다. 바이어스 전압은 -400에서 -1000V이다. 음전위의 큰 바이어스 전압이 인가됨에 따라, 기판상에 증착될 물질의 부착력이 높아지고 DLC박막 특성(sp3 rich)이 향상된다. HIPIMS 발생원(220)은 큰 전위차로 흑연 타겟(221)에 음 전위를 공급한다. 챔버로 공급된 가스는 플라즈마에 의해 이온화되고, 상기 이온화된 가스는 기판상에 증착될 물질로 구성된 흑연 타겟(221)과 고속으로 충돌한다. 충돌에 의해 흑연 타겟(221)의 탄소 입자는 이온화되어 기판상에 증착된다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버(100)는 사각 기둥 또는 육각 기둥 형상인 것을 특징으로 한다. 도 1은 육각 기둥 형상의 챔버(100)를 포함하는 DLC 박막 제조 장치의 평면도를 도시한다. 도 2는 사각 기둥 형상의 챔버(100)를 포함하는 DLC 박막 제조 장치의 평면도를 도시한다.
일 실시예에 있어서, DLC 박막 제조 장치가 포함하는 크롬 아크 발생원(210)은 두개인 것을 특징으로 한다.
HIPIMS 발생원(220)에 의해 고속으로 스퍼터된 탄소 입자가 흑연 타겟(221) 표면의 플라즈마에 의해서 이온화되어 기판 상에 증착될 수 있다. 크롬 타겟(211)은 크롬 아크 발생원(210) 및 트리거(500) 사이에서 발생한 아크 방전에 의해 용융되어 크롬 원자가 이온화 된 미세입자 상태로 증발된다. 이온화된 미세입자 상태로 증발되는 크롬 원자는 크롬 아크 발생원(210)에서 챔버(100)로 이동해서 전술한 기판의 표면에 증착된다.
도 1 및 도 2를 참조하면 크롬 아크 발생원(210)은 두개가 챔버(100)의 측면에 위치한다. 2개의 크롬 아크 발생원(210)은 챔버(100)의 측면 중 서로 마주 보는 두개의 면에 각각 존재 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 HIPIMS 발생원(220)은 흑연 타겟 하부에 위치하는 제 1 자기 회로(224)를 포함하되, 상기 제 1 자기 회로(224)는 흑연 타겟 하부 가장자리에 위치하는 제 1 자석(222) 및 흑연 타겟 하부 중심에 위치하며 제 1 자석(222)과 극성을 달리하는 제 2 자석(223)을 포함하고, 상기 크롬 아크 발생원(210)은 크롬 타겟 하부에 위치하는 제 2 자기 회로(214)를 포함하되, 상기 제 2 자기 회로(214)는 크롬 타겟 하부 가장자리에 위치하는 제 3 자석(212) 및 흑연 타겟 하부 중심에 위치하며 제 3 자석(212)과 극성을 달리하는 제 4 자석(213)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 제 1 자기 회로(224) 및 제 2 자기 회로(214)는 타겟 하부에 위치하여 타겟의 전체 표면에 자장을 인가한다.
제 1 자석(222)과 제 2 자석(223)은 다른 극성을 가지며, 제 3 자석(212)과 제 4 자석(213)은 다른 극성을 가진다. 제 1 자석(222)은 타겟 하부 가장자리를 둘러싸는 형상으로 개구가 형성되어 있다. 제 1 자석(222)에 형성된 개구에는 타겟 하부 중심에 위치하는 제 2 자석(223)이 존재한다. 제 3 자석(212)은 타겟 하부 가장자리를 둘러싸는 형상으로 개구가 형성되어 있다. 제 3 자석(212)에 형성된 개구에는 타겟 하부 중심에 위치하는 제 4 자석(213)이 존재한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 자석(222)은 인접한 다른 제 1 자석(222) 또는 제 3 자석(212)과 극성을 달리하는 것을 특징으로 한다. 도 1 및 도 2를 참조하여 DLC 박막 제조 장치는 인접한 제 1 자석(222) 및 제 3 자석(212)의 극성은 다르다. 또한 인접한 제 1 자석(222)끼리의 극성도 다르다.
DLC 박막 제조 장치는 N과 S, S와 N으로 순차적으로 시계열적으로 배열되어 플라즈마의 전자를 기판이 위치한 코팅 영역으로 향하게 하여 기판 주위의 플라즈마 밀도를 높인다. 도 1 및 2를 참조하면, 제 1 자석(222)과 인접한 다른 제 1 자석(222) 또는 제 3 자석(212)은 자기력선을 생성하여 플라즈마의 전자를 기판이 위치한 코팅 영역으로 향하게 함을 확인할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 자기 회로(214)는 크롬 타겟(211)에 가하는 수평 자기장의 평균 값이 25~50가우스인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, HIPIMS 발생원(220)이 포함하는 흑연 타겟(221)은 공극률이 10% 이하인 흑연을 사용하는 것을 특징으로 한다. 고밀도의 흑연을 사용하여 흑연 타겟(221)에서 높은 순도의 탄소 원자가 발생되도록 한다.
일 실시예에 있어서, HIPIMS 발생원(220)은 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)으로 흑연 타겟(221)을 스퍼터링 하는 것을 특징으로 한다. 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)은 높은 전압 및 낮은 작동 주기를 가지는 펄스에 의해 타겟을 스퍼터링 하는 방법이다.
일 실시예에 있어서, HIPIMS 발생원(220)은 1000-2000V의 전압, 2~30%의 작동 주기(Duty cycle) 및 10~1000㎲의 펄스로 흑연 타켓을 스퍼터링하는 것을 특징으로 한다. 높은 스퍼터링 전압과 짧은 펄스폭으로 스퍼터링 입자의 이온화율을 높일 수 있다. 또한 고속의 에너지의 탄소 입자에 의한 충돌로 sp3 DLC 구조로 박막은 H free ta-c 구조를 형성한다. H free ta-c 구조는 사면체 비결정 탄소 박막으로 박막의 경도가 높다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 자기회로는 흑연 타겟에 가하는 수평 자기장이 500가우스 이상인 것을 특징으로 한다.
최초에, 챔버(100)의 온도는 400~500도이고, 기판 홀더(300)의 회전 속도는 5~10rpm이며 챔버 내부 압력은 5x10-6 torr이하인 진공상태이다.
다음으로, 아르곤(Ar) 기체가 챔버로 유입되고, 챔버 내부의 압력이 5x10-1에서 5x10-3torr가 되면 HIPIMS 발생원(220)만이 동작하여 기판을 크리닝(cleaning)한다. HIPIMS 발생원(220)은 약 5분 이내로 동작한다.
다음으로 크롬 아크 발생원(210)이 작동하여 기판에 최초로 크롬 원자가 증착되도록 한다. 기판에 크롬층이 먼저 생성되어 DLC 코팅전에 아크 방식에 의한 부착력을 향상시킨다. 크롬층의 두께가 50~100nm가 될때까지 크롬 아크 발생원(210) 동작한다. 챔버 외부로 아르곤 기체를 배출하고, 질소(N2)기체를 챔버내로 유입하여 챔버 내 압력을 5x10-1에서 5x10-3torr이 되도록 한다. 그 후, CrN층이 300~500nm가 될때까지 크롬 아크 발생원(210)을 동작 시킨다. 전술한 과정으로 기판 상에 크롬층 및 CrN층이 차례로 형성된다.
다음으로 기판의 DLC 코팅을 위하여 N2를 50ppm에서 0ppm으로 줄이고 탄화수소 유량은 0에서 100~200sccm으로 증가시키면서 챔버(100)내의 진공 압력을 5x10-1에서 5x10-3torr로 유지시킨다. 그 후 크롬 아크 발생원(210)을 천이층(transition layer)두께가 약 20~30nm가 될때까지 동작 시킨다. 천이층은 전술한 CrN층 상에 형성된다. 전술한 천이층은 CrN 및 DLC를 포함한다. 전술한 탄화수소는 예를들어 C2H2 또는 CH4이다.
다음으로 챔버(100)의 압력을 0.1 torr~0.05 torr을 유지한 상태에서 탄화수소 유량을 100~200sccm으로 한다. 여기서 탄화수소 기체와 아르곤 기체의 압력비를 9:1로 유지한다. 크롬 아크 발생원(210)에 의해 Cr-DLC 박막을 코팅하는 동시에 HIPIMS 발생원(220)이 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)으로 탄소 원자를 기판에 코팅해서 DLC층의 두께가 1~5um이 되도록 한다. DLC층은 Cr-DLC 및 DLC를 포함한다.
크롬 아크 발생원(210)에 의한 Cr-DLC는 sp2 리치 이지만, HIPIMS 발생원(220)에 의한 고에너지를 가지는 탄소 이온이 코딩되면서 Cr-DLC는 sp3 리치 박막이 된다. sp3 리치인 DLC 박막은 sp2 리치인 Cr-DLC 박막보다 경도가 강하다. 크롬 아크 발생원(210) 및 HIPIMS 발생원(220)이 동시에 동작함에 따라 두께가 두껍고 경도가 높은 DLC층이 형성된다. 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해 져야 할 것이다.
100: 챔버
210: 크롬 아크 발생원
211: 크롬 타겟
212: 제 3 자석
213: 제 4 자석
214: 제 2 자기 회로
220: HIPIMS 발생원
221: 흑연 타겟
222: 제 1 자석
223: 제 2 자석
224: 제 1 자기 회로
300: 기판 홀더
400: 기판
500: 트리거

Claims (8)

  1. 다각 기둥 형상의 챔버;
    흑연 타겟을 포함하는 HIPIMS 발생원;
    크롬 타겟을 포함하는 크롬 아크 발생원; 및
    챔버의 바닥면에 위치하여 기판을 지지하는 기판 홀더; 를 포함하되,
    상기 챔버의 각 측면에는 HIPIMS 발생원 또는 크롬 아크 발생원이 위치하는 것을 특징으로 하는,
    DLC 박막 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버는
    사각 기둥 또는 육각 기둥 형상인 것을 특징으로 하는,
    DLC 박막 제조 장치.

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 HIPIMS 발생원은
    흑연 타겟 하부에 위치하는 제 1 자기 회로를 포함하되,
    상기 제 1 자기 회로는 흑연 타겟 하부 가장자리에 위치하는 제 1 자석 및 흑연 타겟 하부 중심에 위치하며 제 1 자석과 극성을 달리하는 제 2 자석을 포함하고,
    상기 크롬 아크 발생원은
    크롬 타겟 하부에 위치하는 제 2 자기 회로를 포함하되,
    상기 제 2 자기 회로는
    크롬 타겟 하부 가장자리에 위치하는 제 3 자석 및 흑연 타겟 하부 중심에 위치하며 제 3 자석과 극성을 달리하는 제 4 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는
    DLC 박막 제조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 자석은
    인접한 다른 제 1 자석 또는 제 3 자석과 극성을 달리하는 것을 특징으로 하는 DLC 박막 제조 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 자기 회로는
    크롬 타겟에 가하는 수평 자기장의 평균 값이 25~50가우스인 것을 특징으로 하는 DLC 박막 제조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    HIPIMS 발생원이 포함하는 흑연 타겟은 공극률이 10% 이하인 흑연을 사용하는 것을 특징으로 하는
    DLC 박막 제조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    HIPIMS 발생원은
    고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 방법(HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering)으로 흑연 타겟을 스퍼터링 하는 것을 특징으로 하는
    DLC 박막 제조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    HIPIMS 발생원은 1000-2000v의 전압, 2~30%의 작동 주기(Duty cycle) 및 10~1000㎲의 펄스로 흑연 타켓을 스퍼터링하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제 1 자기회로는 흑연 타겟 표면에 가하는 수평 자기장이 500가우스 이상인 것을 특징으로 하는
    DLC 박막 제조 장치.
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